KR20210124083A - 글로우 플라즈마 가스 측정 신호 처리 - Google Patents

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KR20210124083A
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Abstract

가스 분석을 위한 글로우 방전 광학 방출 분광법(GD-OES)을 사용하여 샘플 가스 중의 가스 조성의 개선된 측정을 위한 방법, 장치 및 시스템이 제공된다. 첫 번째 방법은: 플라즈마 셀 내에서 하나 이상의 진동 전자기장을 생성하여 셀 내의 입자를 여기시켜 플라즈마 셀에서 글로우 방전 플라즈마를 생성하고, 또한 플라즈마 셀을 통하여 가스 혼합물을 흐르게 하면서 플라즈마 셀의 작동 조건을 제어하여 플라즈마로부터의 글로우 방전 광학 방출을 원하는 작동 범위 내에서 유지시키는 단계; 및 플라즈마 셀에서 플라즈마로부터의 하나 이상의 글로우 방전 광학 방출을 모니터링하는 단계; 상기 광학 방출의 모니터링은 플라즈마 여기 주파수의 2배에서 광학 방출을 측정하거나 광학 방출과 관련된 신호를 측정하는 것을 포함하고; 및 전자기 여기의 각 여기 사이클 동안 신호를 가공하여 플라즈마 셀을 통해 흐르는 가스 혼합물 내의 가스 농도를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

글로우 플라즈마 가스 측정 신호 처리{GLOW PLASMA GAS MEASUREMENT SIGNAL PROCESSING}
본 특허출원은 영국 특허출원 제2005140.5호 및 제2005079.5호 (GB2583025로 공개)로부터 우선권을 주장한 것이며, 이들은 본원에 참고문헌으로서 포함된다.
본 개시는 글로우 플라즈마(glow plasma) 방출로부터 유래되는 신호를 처리하기 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
플라즈마는 자유 전자, 중성 분자 및 다양한 파장의 빛의 광자가 혼합된 이온화된 기체 분자로 구성된다. 플라즈마는 별, 성운, 화염 및 번개에서와 같이 자연적으로 발생하거나 고강도 전기장에서 아크 방전과 같이 인공적으로 제조되는 다양한 형태를 취할 수 있다. 플라즈마는 고압 및 저압 모두에서 발생할 수 있다. 감압 플라즈마는 낮은 스트라이크 전압(플라즈마 점화) 및 유지 전압(플라즈마를 유지하기 위한 전압)을 요구하는 장점뿐만 아니라, 더 낮은 종 밀도로 인하여 소광(quenching) 발생이 감소된다는 장점이 있으나, 이러한 낮은 압력을 얻는 것과 관련된 비용과 복잡성이 증가하며 또한 이온화된 분자의 총량은 고압 플라즈마에 비해 감소될 수 있다. 플라즈마는 박막 증착용 기판의 제조를 위한 표면 세정과 같은 재료 처리 응용분야에 사용된다. 또한, 이들은 플라즈마 조명, 오존 생산, 컴퓨터 칩 에칭 및 태양 전지 제조에도 사용된다.
글로우 플라즈마 내에서, 전자 및 다른 이온화된 종은 열 평형상태가 아니며, 전기장 내 여기와 관련된 에너지는 혼합물의 평균 에너지보다 훨씬 높을 수 있다. 가속된 전자와 가스 분자 사이의 종 전기장과 비탄성 충돌은 여기되고 이온화된 종의 생성으로 이어진다. 이후 낮은 에너지 준위로의 방사 붕괴(radiative decay)는 "글로우(glow)" 방전이라는 명칭이 부여되는 특징적인 방사 광자(photons of radiation)의 방출을 야기한다.
글로우 방전은 직류(DC) 또는 교류(AC) 여기 장(excitation fields)에서 발생할 수 있다. DC 장은 가스 환경 내에서 직접적인 전극 접촉을 포함하며, 이는 전극의 특성 및 수명에 바람직하지 않을 수 있다. AC 장은 유전체 장벽을 통해 기체 시료에 연결될 수 있으며, 따라서 전극은 기체와의 직접 접촉으로부터 보호된다. 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge, DBD) 플라즈마는 산업적인 오존 생산에도 사용되어 왔다.
글로우 플라즈마는 가스 분석에 있어서 중요한 응용분야이다. 광학적 발광 분광법(Optical Emission Spectroscopy, OES)은 종 식별 및 정량을 위한 기술이며, 여기서는 글로우 플라즈마 내의 여기 상태 종으로부터의 빛 방출이 분석된다. 전자기 스펙트럼에서 방출 선(emission lines)의 위치는 종의 식별(identity)을 나타내며 그 강도(intensity)는 가스 혼합물 중 해당 가스 종의 농도를 나타낸다(도 1 참조). 글로우 방전 광학적 발광 분광법(GD-OES)이 고체, 전도성 물질의 표면 분석에 사용되었으나, 가스 분석에 선호되는 기술은 아니다. 대부분의 종래의 GD-OES 시스템은 저압 글로우 방전 플라즈마를 사용하지만, 일부 경우에는 대기압 또는 그 이상에서의 측정이 여전히 가능할 수 있다. 가스 분석에서, 글로우 플라즈마를 사용하여 오염 물질을 포함하는 다양한 가스를 분석할 수 있고, 상기 분석은 산업 공정을 제어하여 배출 수준과 관심 가스를 최소화하여 공정 효율을 최적화하는데 사용될 수 있으며, 이는 대부분의 전력 생산 및 열 생산의 일부인, 전력 수요를 줄이고 궁극적으로 온실 가스의 생산량을 줄인다.
향상된 신호 대 잡음 복구(signal to noise recovery)를 통해 안정화된 글로우 플라즈마로부터의 광학 신호를 실시간으로 처리하는 방법, 장치 및 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서, 안정된 플라즈마를 발생하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 플라즈마 셀 내에서 하나 이상의 진동 전자기장을 발생하여 셀 내의 입자를 여기시켜 플라즈마 셀에서 글로우 방전 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 셀을 통하여 가스 혼합물을 흐르게 하면서 플라즈마 셀의 작동 조건을 제어하여 플라즈마로부터의 글로우 방전 광학적 발광을 원하는 작동 범위 내에서 유지시키는 단계; 및
플라즈마 셀에서 플라즈마로부터의 하나 이상의 글로우 방전 광학적 발광을 모니터링하는 단계로서, 상기 광학적 발광의 모니터링은 플라즈마 여기 주파수의 2배에서 광학적 발광을 측정하거나 광학적 발광과 관련된 신호를 측정하는 것을 포함하는 단계; 및
전자기 여기의 각 여기 사이클 동안 신호를 처리하여 플라즈마 셀을 통해 흐르는 가스 혼합물 내의 가스 농도를 결정하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 진동 전자기장을 발생하는 단계는, 플라즈마 셀 내의 입자(원자, 분자 또는 하전된 종(charged species))를 여기시켜 플라즈마 셀에서 글로우 방전 플라즈마를 생성하기 위해, 진동 전기장 또는 진동 자기장 또는 진동 전기장과 자기장의 조합을 발생하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법, 장치 및 시스템 중 일부에 따르면, 하나 이상의 글로우 방전 광학적 발광 또는 상기 광학적 발광과 관련된 하나 이상의 신호의 모니터링 및 플라즈마 셀 내의 입자를 여기시키는데 사용되는 전기장 또는 자기장과 같은 작동 조건의 동적 공진 피드백 제어의 제공을 통하여, 상대적으로 안정된 글로우 방전 광학적 발광이 플라즈마 셀의 플라즈마로부터 유지될 수 있다. 안정된 글로우 플라즈마의 방출은 가스 분석을 위한 글로우 방전 광학적 발광 분광법(GD-OES) 및 비-광학 분석 및 기타 응용분야에 사용될 수 있다.
플라즈마 셀의 플라즈마로부터의 하나 이상의 글로우 방전 광학적 발광의 모니터링은 각 여기 사이클 동안 실시간으로 수행 될 수 있으며, 여기서 설명된 방법 및 장치는 개선된 신호 대 잡음 복구(signal to noise recovery)를 제공한다. 광학 신호의 모니터링은 플라즈마의 여기 주파수의 2배에서 이루어진다. 여기 주파수의 2배(2f)에서 신호를 모니터링하면, 신호의 주파수 대역폭이 좁아지고 예를 들어 노치 필터(notch filter)를 사용함으로써 여기 주파수(f)로부터 주파수가 분리되어 신호 대 잡음비가 향상된다. 2f 신호를 검사하고 결정하기 위한 신호 검출 기술은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 잠금 검출(Lock-in detection), 동기 검출(synchronous detection), 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transforms, FFTs) 및 시간 또는 주파수 영역 정합 필터 기술 또는 형상 필터를 사용하는 것과 같은 주파수 영역 분석, 또는 적절한 검출 수단. 신호는 피크 높이, 피크 면적으로서, 2f 신호의 적분으로서, 또는 적절한 필터링(예들 들어, 중앙값 필터) 및/또는 앙상블 평균화(ensemble averaging) 및/또는 이동 평균화(moving averaging)를 사용한 임의의 다른 적절한 기술로서 취해질 수 있다. 모니터링 프로세스 전반에 걸쳐 실시간으로 신호를 측정하는 것이 바람직하다는 본 발명자들의 인식은 본 발명자들의 광학 검출 시스템의 설계 및 구현에 영향을 미쳤다. 예를 들어, 자외선 또는 가시광선용 실리콘 검출기는 광을 측정하는 경제적이고 효율적인 수단이지만, 본 발명자들은 신속한 응답 시간이 바람직하다고 판단하였으며, 본질적으로 낮은 정전용량을 가진 검출기를 선택하였다. 신호 수집은 광학 필터의 전송 대역을 통해 통과한 후 또는 분산 격자 또는 다른 적절한 파장 선택 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
많은 종래의 글로우 플라즈마 방전은 안정한 플라즈마를 유지하기 위해 자체-진동 방식으로 로여(Royer) 변압기를 사용한다. 이는 제어된 글로우 플라즈마가 좁은 범위의 조건에서 유지될 수 있도록 한다. 유도 피드백 기술(EP1381257A2)을 사용하는 것을 포함하여, 종래의 글로우 플라즈마의 안정성과 유연성을 향상시키기 위한 다양한 기술이 사용된 바 있다. 현대의 혁신 중 하나는, 횡단 전기장을 적용하거나 및/또는 전자 주입을 제공하기 위하여, 제2 안정화 전극을 사용하는 것이다(EP3265806A1).
영국 특허출원공개 제GB2583897호에 기술된 또다른 최근의 예시적인 방법은 플라즈마 셀의 두 개 이상의 전극에 입력 신호를 적용하여 전극 사이의 전압 구배를 생성하고, 플라즈마 셀을 가로질러 유도된 신호를 측정하고, 유도된 신호를 기준 신호와 비교하여 차이 신호를 얻음으로써, 플라즈마 셀에서 안정한 글로우 방전 플라즈마를 유지한다. 이러한 비교는 플라즈마 공진에서 수행된다. 여기서 '공진(resonance)'및 '공진 조건(resonant conditions)'이라 함은 아래에서 설명하는 바와 같이 명시적으로 언급되지 않는 한 피크 공진(peak resonance)에 대한 제한으로 해석되지 않는다. 이 후, 제어 신호가 상기 얻어진 차이 신호에 기초하여 플라즈마 셀의 적어도 2 개의 전극에 적용되어, 공진 조건 하에서 안정한 글로우에 필요한, 여기(excitation)를 위한 원하는 전압 구배를 달성한다. 이 방법은 각 여기 사이클 동안 실시간으로 모두 달성된다. 본 발명의 발명자들은 2배의 여기 주파수(f 대신 2f)에서 출력 신호를 모니터링함으로써 GB2583897 및 공지된 GD-OES 및 다른 플라즈마 방출 시스템의 교시를 개선하고 확장하였다. 이는 신호 대 잡음비 개선을 제공한다.
구동 주파수는 규칙적 또는 가변적 기반으로 정의된 주파수 범위에서 스캔되거나 처프(chirp)될 수 있으며, 플라즈마 여기 주파수는 분석되는 종 혼합물과 관련된 피크 공진과 일치하도록 능동적으로 조정되거나 또는 위상 고정 루프 회로를 사용하여 자체-진동 플라즈마 시스템의 위상 또는 공진 주파수의 변화를 나타낼 수 있다.
예시적인 장치, 시스템 및 방법의 다양한 특징이 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 아래에서 기술된다:
도 1a는 가스 분석을 위해 플라즈마 셀에서 유전체 장벽 방전(DBD)에 의해 방출되는 광과 분광기를 사용할 수 있는 광학적 발광 분광계 시스템의 구성 요소의 개략도이다;
도 1b는 글로우 플라즈마의 예시이다;
도 2는 여기 파형 및 2f 광학 파형의 예시이다;
도 3은 플라즈마 셀을 위한 공진 전류 피드백 제어 시스템의 구성 요소의 개략도이다;
도 4는 2f 신호 처리 기술의 예시이다;
도 5는 잠금 검출을 사용하는 이점의 예시이다;
도 6은 수소/질소 혼합물에 대한 2f 신호 진폭의 예시이다;
도 7은 2f 진폭과 분광계 진폭 결과 사이의 비교의 예시이다;
도 8은 아르곤/질소 혼합물에 대한 신호 파형의 예시이다;
도 9는 아르곤/질소 혼합물에 대한 잠금(Lock-in) 진폭의 예시이다;
도 10은 1f 전기 여기와 2f 광학 신호 사이의 위상차와 불순물 농도와의 관계의 예시이다;
도 11a 및 11b는 상이한 광-기계 및 전극 배열의 예시를 나타낸다; 및
도 12는 도 11b에 나타낸 것과 같은 종래의 자체-진동 구동 회로와 광-기계 셀을 사용하여 얻어진 결과의 예시이다.
상세한 설명
플라즈마는 전기적으로 전도성인 이온화된 가스이므로, 외부 전기장 및 자기장과 상호작용할 수 있다. 플라즈마의 주요 구성 요소는 자유 중성 원자 또는 분자, 양전하 이온 또는 준안정한 종(metastable species), 자유 전자 및 다양한 에너지 광자(energetic photons)이다. 이들 종들은 끊임없는 충돌 상태로 있다. 플라즈마의 이온화 정도는 중성 종에 대한 하전된 종의 수 밀도(number density)의 비율이다.
플라즈마에는 다음과 같은 세 가지 주요 광 생산 과정이 있다.
i. 자유-결합 전이 또는 재조합 방사선:
플라즈마의 자유 전자는 또한 이온에 의해 포획될 수 있으며, 복사 재결합(radiative recombination)이라고도 알려져 있다. 이 포획 또는 재결합이 기저 상태에 있으면, 이온 또는 원자의 이온화 전위보다 큰 에너지를 갖는 광자가 방출되어 연속적인 스펙트럼을 생성한다. 대안적으로, 재결합이 여기된 에너지 준위에 있는 경우, 전자는 고유한 파장의 광자를 방출하여 여기된 상태를 통해 기저 상태로 캐스케이드되어, 해당 이온 종의 특징적인 방출선(emission lines)을 생성한다.
ii. 결합-결합 전이(bound-bound transitions)
원자 또는 분자 내에서 전자의 에너지에 대한 변화가 전자가 변화 전후에 원자 또는 분자에 부착되거나 결합된 상태로 유지될 때, 이러한 전이가 발생한다. 에너지가 증가하는 경우 일반적으로 플라즈마를 로밍(roaming)하는 광자가 흡수된다. 에너지가 감소될 때 광자가 방출된다. 플라즈마의 결합-결합 전이는 원자 또는 분자 종에 고유한 방출선과 흡수선을 모두 생성할 수 있다.
iii. 자유-자유 전이(free-free transitions): 브렘스슈트랄룽(Bremsstrahlung)
모든 플라즈마에는 다른 종과 자유롭게 상호작용할 수 있는 많은 비결합된 전자가 있다. 플라즈마의 자유 전자가 이온화된 원자 또는 분자에 가깝게 지나갈 때, 가속되거나 감속된다. 이는 해당 전자의 운동 에너지의 순 변화를 야기한다. 양자 역학은 이러한 에너지 변화가 전자에 의해 광자를 흡수하거나 방출함으로써 양자화되고 매개된다는 것을 나타낸다. 이러한 광자는 어떤 파장이든 될 수 있기 때문에, 이 과정에서 생성되는 복사선은 연속적인 스펙트럼을 가지며, 열 브렘스슈트랄룽(thermal bremsstrahlung)으로서도 알려져 있다.
플라즈마 자체 내에서 상기한 전이를 가능하게 하는 몇 가지 과정이 발생하며, 가장 중요한 과정은 종 간의 충돌이다. 중요한 충돌 세트는 전자/하전된 종과 중성종 사이의 충돌이며, 이는 이온화로 이어진다. 이를 위해서는 전자 또는 하전된 종의 일부가 관심 가스의 이온화 전위를 초과하는 운동 에너지를 가져야 한다. 반대로, 충돌은 또한 재조합 과정으로 이어질 수도 있으며, 여기에서 반대 극성의 하전된 종 사이의 충돌은 중성 종의 생성으로 이어질 수 있다.
글로우 플라즈마를 생성하는 한 가지 방법은, 도 1a 및 1b에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 플라즈마 셀(140)을 형성하는 전도성 전극(120, 130)으로 둘러싸인 유전체 장벽 용기(110)(예를 들어 유리 또는 석영)에 흐르는 가스(100)의 고전압 무선 주파수(RF) 여기에 의한 것이다. 각 RF 여기 사이클에서, 플라즈마의 하전된 종은 전기장에서 반대 방향으로 2회 최고 가속을 경험한다. 사인파 여기의 양의 쪽(positive side)에서, 이 가속은 파형 상단 근처에서 정점에 이른다. 유사하게, 사인파 여기의 음의 쪽(negative side)에서, 하전된 종은 파형의 최저점 근처의 반대 극성에서 피크 가속을 경험한다. 상기에서 기술된 세 가지의 광 생성 과정 모두가 이러한 높은 가속 이벤트 동안 최고에 달하므로, 임의의 글로우 플라즈마로부터 생성된 순간적인 광은 RF 여기의 각 개별 사이클 동안 두 개의 뚜렷한 피크와 최저점을 나타내게 되며, 구성 가스의 특징인 방출 스펙트럼(160)은 분광기 또는 다른 검출기(150)를 사용하여 측정될 수 있다.
이것은 N2 글로우 플라즈마에서 337nm를 중심으로 하는 좁은 광학 대역 통과 필터를 통해 순간적인 광학 신호를 검출하는 고속 광 다이오드 증폭기 회로를 사용하여 본 발명자들에 의해 실험적으로 검증되었다. 이것은 도 2에 명확하게 예시되어 있으며, 도 2에서 여기 신호(200)는 주파수 f에 있고 검출된 신호(300)는 여기 주파수의 2배(2f)에 있다. 계측, 플라즈마 종 관성 및 기타 요인으로 인하여, 여기 파형과 구동 파형 사이에 위상 편이(phase shift)가 있다.
비교적 최근까지 이러한 신호의 정확한 수집 및 처리는 실시간으로 달성하기가 매우 곤란하였다. 또한, 전형적으로 사용되는 구동 주파수(수십 kHz 이상)에서 검출기를 충분히 빠르게 반응하도록 하는 특정 설계 권장 사항이 있으며, 이는 일반적으로 표준 광학 플라즈마 측정에 필요하거나 사용되지 않는다. 이는 많은 플라즈마 가스 검출기가, 통합되거나 또는 DC 신호를, 처리된 검출 신호로서 사용하는 이유이다. 이는 또한 본 발명자들에 의해 제안된 비-직관적 접근 방식이 이전에 고려되지 않았던 주요 이유 중 하나이기도 하다.
본 발명자들은 플라즈마로부터 방출된 광이 플라즈마 RF 여기 파형과 관련된 2차 고조파(2f) 성분을 가지고 있음을 인식하였으며, 이러한 인식은 극도로 높은 노이즈 제거율로 잡음이 많은 배경(noisy backgrounds)으로부터 이것이 추출되는 것을 가능하게 한다. 이를 달성하기 위한 일반적인 방법 중 하나는 잠금 검출(Lock-in detection)이다. 잠금 검출기의 핵심 강점은 매우 잡음이 많은 환경에서 신호 진폭과 위상을 추출하는 능력이다. 실제로 잠금 검출은 단일 주파수 (2f) 구성 요소가 있는 푸리에 변환과 같으며, 다른 모든 계수는 0으로 설정된다. 전형적으로, 이는 호모다인(homodyne) 검출 방식에 이어서 저역 통과 필터링(low-pass filtering)을 사용하여 주기적 기준에 대해 원하는 신호 진폭 및 위상을 추출한다(도 4 참조). 2f 주기적 기준 파형의 모양은 원하는 프로세스 신호를 최적으로 추출하기 위해, 정현파, 사각파(square wave) 또는 기타 적절한 모양을 포함한 다양한 형태를 취할 수 있다. 이러한 검출은 기준 주파수 주변의 잘-정의된 좁은 주파수 대역에서 발생하며, 다른 가짜 소스(spurious sources)의 다른 모든 주파수 기여를 효율적으로 거부한다. 이 기술을 사용하면 광 다이오드 또는 기타 적절한 검출 수단(예들 들어, 광전증폭관(photomulitiplier), 볼로미터(bolometer), 초전 또는 써모파일 검출기(pyroelectric or thermopile detector))이 매우 좁은 대역폭에서 플라즈마 광을 검출하여 증폭기의 열(thermal) 및 샷(shot) 노이즈 기여를 크게 낮출 수 있다. 잠금 기술(Lock-in technique)을 사용하여 달성할 수 있는 개선의 규모는 시뮬레이션 데이터에 대한 도 5에서 볼 수 있다. 그래프 (a)는 깨끗한 2f 신호를 나타내는 반면, (b)는 신호에 대규모 랜덤 노이즈를 추가한 효과를 나타낸다. 이러한 큰 노이즈에도 잠금 검출(Lock-in detection)은 그래프 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이 원래 신호를 효과적으로 복구할 수 있다. 실제로 실리콘 광 다이오드는, 경제적이고 다재다능한 솔루션으로, 광범위한 자외선, 가시 광선 및 근적외선 파장에서 잠재적으로 신속한 검출이 가능하다. 또 다른 중요한 고려 사항은 주변 광의 존재이다. 글로우 플라즈마로부터의 대부분의 광 검출은 근자외선 및 가시광선 파장 대역에서 발생한다. 이는 또한 상당한 가짜 주변 광원이 존재하는 파장 대역이다. 플라즈마 광의 2차 고조파 검출은 일반적으로 훨씬 낮은 주파수에서 변조되는 주변 광원의 거부를 향상시켜, 플라즈마 검출기의 차광 작업을 훨씬 쉽게 만든다. 구동 시스템이든 자체-진동 시스템이든, 플라즈마 여기 구동은 2f 구성요소 및/또는 2f 구성요소를 포함할 수 있는 왜곡이 없는 것이 최적이며, 이는 가짜 2f 잡음 및/또는 오프셋에 기여할 수 있기 때문이다.
미량 수준의 가스 종을 측정하기 위하여 글로우 플라즈마 분광기가 사용되는 경우, 동시에 두 가지 중요한 신호 처리 목표를 달성할 수 있어야만 한다. 첫째, 약한 방출을 감지할 수 있도록 훨씬 더 높은 이득이 필요하다. 둘째, 측정 해상도를 제공하기 위하여 훨씬 더 높은 해상도의 디지타이저(digitiser)가 필요하다. 2f 신호의 사후 처리는 약하게 방출되는 구성요소에 있어서 매우 중요하다. 2차 고조파 신호는 체배기(multipliers) 및 저역 통과 필터를 사용하는 아날로그 잠금 검출에 의해 기존 설계와 같이 두 가지 방식으로 처리될 수 있다. 그러나, 이러한 아날로그 회로는 드리프트(drift)가 발생하기 쉬우며, 추가 노이즈 기여로 인한 막대한 페널티(penalty)가 있다. 대안적으로, 현대 전자 구조물(architecture)에서, 2차 고조파 신호는 고속 저잡음 아날로그-디지털 변환기(ADC)에서 직접 디지털화되게 된다. 노이즈 기여를 제한하기 위해, 모든 처리는 여기부터 디지털 방식으로 수행되게 된다. 산업 응용분야에서 발생할 수 있는 모든 가능한 강도 전송(intensity transmission) 범위에 걸쳐 광범위한 가스 농도를 다루기 위해, 16-비트 이상의 해상도 ADC가 사용되는 것이 바람직하다. 2차 고조파 신호 자체는 디지털 프레임 또는 스캔으로서 취급될 수 있다. 마이크로 프로세서를 사용하는 고속 시간 결정적인 실시간(high-speed time critical real-time) 데이터 수집 알고리즘은 프런트-엔드 프레임 평균화(front-end frame averaging), 기준 2f 프레임 배수화(multiplication by a reference 2f frame), 선택적으로 계산 효율성을 최적화하기 위한 FFT 기술을 사용하는 것과 같은 형상 복구 알고리즘을 포함한 모든 디지털 잠금 작업을 수행한다. 실제로, 약한 2f 신호는 무작위 및 체계적인 왜곡의 혼합에 의해 손상될 수 있으며, 따라서 약한 프로파일의 모양 식별이 신호 복구에 있어서 유용한 역할을 할 수 있다. 다양한 구성으로 타당성 작업을 수행하는 동안의 실험은 고-이득 AC-결합 아날로그 프런트 엔드(high-gain AC-coupled analogue front end)와 고속 디지털 신호 처리의 독특한 조합이 약한 신호를 성공적으로 복구하는 좋은 조합이 될 수 있음을 보여주었다. 2f 신호 처리 기술의 예시가 도 4에 나타내져 있다. 여기 파형은 일반적으로 정현파 모양이며, 특히 잠금(Lock-in) 또는 FFT 기술이 수행되는 경우 편리할 수 있다. 그러나 다른 프로파일이 사용될 수 있으며 계측 및/또는 다른 요인이 여기 프로파일을 왜곡할 수 있고, 이는 특히 임의의 모양 또는 일치하는 필터 사용과 관련하여 모든 사후 처리에서 중요할 수 있다. 2f 이외의 주파수에서 위상 각 및/또는 신호는 신호 향상 정보(signal enhancement information) 또는 배경 구성 데이터를 포함하며, 추가의 신호 처리 정보를 추출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 각의 변화는 혼합물 내의 표적 가스 농도와 관련되거나 및/또는 비-이원(non-binary) 가스 혼합물에 대한 배경 혼합물 조성과 관련될 수 있다.
요약하면, 2f에서의 광 검출은 다음과 같은 장점으로 인하여 DC에서의 종래의 광 다이오드 광 검출보다 우수하다:
1. 개선된 신호 대 잡음비.
2. 매우 좁은 대역폭에서 검출함으로써 열 및 샷(Shot) 노이즈를 낮춤
3. 주변 광과 같은 가짜 광원에 대한 향상된 거부.
그러나, 고주파수(600)에서 실시간으로 2f에서의 광의 검출은, 도 4에 예시된 바와 같이, 최적의 성능을 위해 하기 새로운 설계 권장 사항을 갖는다:
1. 다음을 포함하는, DC 제거 기능을 갖는 광 다이오드 이득단(photodiode gain stage)(610)
· 광 다이오드 요소의 낮은 정전용량 및 높은 션트 저항.
· 광 다이오드의 역방향 바이어스와 같은 접합 정전용량을 낮추는 기술.
· 고속 트랜스-임피던스 증폭기.
· 이러한 고 이득 증폭(high gain amplification)이 없으면 불가능하므로, DC 광학 신호의 능동적인 제거.
2. 이러한 고 이득 증폭이 없으면 불가능하므로, 1f 신호의 능동적 억제(예를 들어, 노치 필터(620)를 통해)
3. 신속한 아날로그에서 디지털로의 변환(640)(예를 들어, 2f 신호의 >10배 오버샘플링(oversampling)).
4. 아날로그 회로에서 추가 노이즈 기여를 방지하기 위한, 복조(demodulation) 및 잠금 검출 후 감지 디지털 도메인(650)에서 수행되는 필터링.
상세한 구현예 및 결과
아래에서 상세히 설명되는 예시적인 장치는 가스 분석에서 글로우 방전 광학적 발광 분광법을 사용하지만, 신호 처리를 위해 본원에서 기술된 이 방법은 또한 임의의 다른 진동 구동 글로우 플라즈마 형식에 대한 처리 향상을 가지게 될 것이다. 이 예(영국 특허출원공개 제GB2583897호에 따름)는 인라인(in-line) 가스 분석을 위해 대기압에서 개선된 글로우 플라즈마 안정성을 사용한다. 이 예는 또한 예를 들어 로여(Royer) 변압기 및/또는 제2 안정화 전극을 사용하여 횡단(transverse) 전기장을 적용하거나 전자 주입을 제공하기 위해 달성될 수 있지만, 전자는 작동 범위가 더 좁고 후자는 추가 빌드(extra build) 및 운영상의 복잡성을 포함할 수 있다. 또한 전자 주입의 경우, 가스 흐름 내에 이러한 제2 전극의 존재는 잠재적인 오염 및 부식에 이들을 노출시킬 수 있다. 관심 가스가 플라즈마로 운반될 때, 이는 여기되고 방사 붕괴에 의해 방출되는 광이 분광계에 의해 고유한 파장 특성에 대하여 검출된다. OES는 플라즈마 화학뿐만 아니라 종의 상대적 농도에 대해서도 비-침입적이고 매우 구체적인 정보를 제공한다. 종래의 GD-OES 시스템과 달리, 가스 분석 응용분야는, 전극에 대한 스퍼터링 효과 또는 화학 반응을 방지하기 위하여, 가스 흐름 자체가 고전압 전극과 물리적으로 접촉하지 않아야 할 것을 종종 요구한다. 많은 가스 분석 응용분야에서, 관심 가스는 분광 검출 및 종 식별을 위한 신속한 응답을 필요로 하는 연속적인 흐름 상황(continuous flow regime)에 있다.
본 예는 기본 플라즈마 에너지 준위에서 종래의 방법의 플라즈마 안정성 단점을 해결하여, 매우 광범위한 조건(예를 들어, 조성, 가스 유형, 가스 농도 및 유속) 하에서 안정한 글로우 플라즈마를 가능하게 한다. 이는 플라즈마 작업 조건의 제어를 통해 달성된다. 일 예에서, 이러한 제어는 플라즈마 전류의 사이클 단위 모니터링(cycle-by-cycle monitoring)(즉, 각 여기 사이클 동안) 및 플라즈마 전류를 정의된 값으로 유지하기 위한 피드백 제어를 사용하여 달성된다. 이 피드백은 플라즈마 셀에 걸친 전압 구배를 실시간으로 제어하는 것과 같은 여러 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 특허 명세서에서 "공진(resonance)" 또는 "공진 조건(resonant conditions)" 또는 "공진 주파수(resonant frequency)"에 대한 언급은, 주변 조건과 같은 다른 고려 사항 중에서, 플라즈마 셀의 가스 조성 및 물리적 치수에 의존하게 되는 글로우 플라즈마에 대한 기능적 여기 주파수 범위(functional excitation frequency rang)(공진 주파수 대역)를 의미하는 것으로 의도된다. 이 범위 내에서 글로우 플라즈마는 능동적으로 유지될 수 있지만, 일반적으로 기능적 글로우 플라즈마 여기 주파수 범위 내에 최적의 주파수 또는 피크 공진 주파수가 있으며, 여기서 플라즈마에 대한 최대 에너지 전달 효율(최대 또는 피크 공진)이 발생한다. 고정 주파수의 경우, 플라즈마 셀을 가로지르는 전압 구배는 변화하는 가스 조성 및/또는 주변 조건으로 안정한 글로우 플라즈마를 유지하기 위해 피드백 메커니즘을 통해 조정될 수 있다. 대안으로, 고정된 가스 조성 및/또는 주변 조건의 경우, 최적(최대) 공진 피크를 찾기 위해 주파수를 스캔하거나, 두 방법의 조합을 실시할 수 있다. 전기 여기 소스(electrical excitation source)와 플라즈마 셀 사이의 임피던스는 안정화와 최적의 에너지 전달 모두를 달성하도록 최적화되어야 한다. 최적화 매개 변수는 이론적으로, 실험적으로 또는 둘의 조합으로 결정될 수 있다.
글로우 플라즈마를 유지하는 플라즈마 셀을 가로지르는 조성적으로 의존하는(compositionally dependent) 공진 전압 구배가 있으며, 이는 전극에 적용되는 전압을 조정함으로써 전기적으로 달성될 수 수 있다. 예를 들어, 정의된 및/또는 고정된 플라즈마 전류 프로파일을 피드백 회로 또는 기타 적절한 수단을 사용하여 유지함으로써 전극에 적용되는 전압을 실시간으로(사이클 단위로) 능동적으로 조정하면, 글로우 플라즈마가 다양한 조성 및 주변 조건 범위에 걸쳐 안정화되고 유지될 수 있다. 사용되는 피드백 회로는 고속 피드백 실시에 대응할 수 있는 회로이다.
입력 여기 파형 모양은 예를 들어 사인파, 사각파(square wave), 톱니파, 매끄러운 비-정현파 함수 또는 기타 적절한 파형 또는 파형의 조합으로 조정될 수 있다. 그러나 대부분의 실용적인 고주파 전기적 실시에서, 플라즈마를 통해 전달되는 파형은 형태에 있어서 유사-정현파(pseudo-sinusoidal)가 될 수 있다.
하나의 예시적인 장치에서, 플라즈마 셀은 적어도 한 쌍의 전극에 의해 구동되며, 이는 셀의 맞은편에 있는 세라믹, 유리 또는 석영과 같은 유전체 장벽 및 관심 가스가 흐르고 또한 플라즈마가 형성되는 채널을 형성하는 플라즈마 셀 내부의 갭을 통하여, 정의된 거리만큼 분리된다. 관심 가스의 출입을 허용하기 위하여 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구가 제공된다. 전극은 전형적으로 기계적 수단 및/또는 접착 수단에 의해 유전체 장벽에 연결된다. 예를 들어, 글로우 플라즈마의 확장된 영역이 필요한 경우, 한 쌍 이상의 전극이 바람직할 수 있다. 전극의 크기와 모양은 일부 예시적인 응용 분야에서 중요하며, 이는 플라즈마 영역 확장 및 모양을 정의하기 때문이다. 확장된 전극 또는 다중 전극은 다중 종 검출에 유용할 수 있으며, 다중 파장 선택 장치 및 다중 광학 검출기의 위치를 지정할 수 있다. 단일 쌍의 전극의 기하학적 구성은 설계 및 제조의 단순성을 위해 편리할 수 있지만, 한 쌍 이상의 전극을 사용하는 유사한 2f 구현예가 고려될 수 있으며, 예를 들어 동시의 및/또는 연속적인 전자기 여기를 위해, 두 번째 쌍의 전극이 첫 번째 쌍에 직각으로 존재하거나 및/또는 세로 방향 및/또는 동축 방향으로 직렬로 연결된다.
예시적인 전극은 원형, 정사각형 또는 기타 정의된 모양 간격을 갖는 메쉬 또는 격자형 구조와 같이 전극 구조에서 정의된 불연속성이 제공된다. 그럼에도 불구하고, 연속적인 표면 구조를 가진 전극이 사용될 수 있으며, 설계 및 조립이 더 쉽고, 동일한 외부 크기에 대해 더 높은 정전용량을 갖게 된다. 격자형 전극 구조는 필라멘트 형성과 관련된 고전류 밀도를 낮출 수 있으며, 전극 뒤의 광학 검출기의 사용을 가능하게 함으로써 전극의 구멍을 통해 광을 측정한다. 동일한 평면형의 연속적 원형 전극이 유리하게 사용될 수 있으며, 이는 대칭이 플라즈마 불안정성(파괴)의 국소화를 촉진하는 고유 바이어스를 제공하지 않기 때문이다. 그러나, 다른 형상, 특히 기계적 및 흐름 구성이 가능하고 잠재적으로 유리하다.
본원에 기술된 방법 및 장치를 사용하여 달성할 수 있는 향상된 안정성 덕분에, 더 넓은 범위의 전극 설계가 실질적으로 구현될 수 있다. 마찬가지로, 전극의 형상은 형성된 플라즈마 영역의 프로파일을 변형하기 위해 선택될 수 있으며, 이는 특정 흐름 영역(regimes) 및/또는 광학적 발광 또는 수집 설계를 위한 플라즈마 기하학적 구조를 최적화하는 데 유용할 수 있다.
전극의 면적은 플라즈마 단면적에 영향을 미치며 따라서 방출되는 빛의 양에 영향을 미치며, 비록 더 높은 입력 전력을 희생하게 될 것이나, 더 큰 면적은 그에 따라 방출되는 광을 증가시킨다. 또한 더 큰 표면적 전극은 시스템의 정전용량을 증가시켜, 전류 피드백을 향상시키고 따라서 성능을 향상시킨다. 이상적으로는, 유전체의 전기적 및 기계적 특성과 유전체 장벽의 임피던스 및 정전용량 특성은 최적의 작동 안정성을 위해 시간이 지남에 따라 안정하다. 또한 유전체의 재료 및 전기적 특성은 유전체 장벽의 최적 두께를 결정할 때 관련되는 요소이다. 유전체 장벽이 너무 얇으면 전류 제한 특성이 불충분할 수 있으며, 장벽이 너무 두꺼우면 증가된 전압이 장벽을 투과하기 위해 필요하게 된다. 갭을 가로지르는 전압 구배는 플라즈마 개시 및 유지를 유도할 때 제어 요소이다. 고정 전압의 경우, 갭이 작을수록 전압 구배가 커진다. 이는, 동일한 전압 구배를 유도하기 위하여, 작은 갭이 큰 갭에 비해 플라즈마를 유도하기 위해 더 낮은 전압의 사용을 가능하게 함을 의미한다. 이것은 질소와 같은 높은 이온화 에너지 가스에서 플라즈마를 개시하려고 할 때 고려할 사항이다. 더 낮은 전압은 전기 안전 설계, 더 쉬운 변압기 구축 요구 사항(더 적은 회전) 및 더 낮은 전력 사용에 대하여 장점을 가질 수도 있다. 또한, 작은 갭은 더 큰 정전용량을 생성하여, 이는 특히 비-광학 검출 모드에서 더 민감한 전류 피드백을 가능하게 하고 감도를 향상시킨다. 사용되는 갭의 크기에는 실질적인 제한이 있으며, 이는 갭이 작아질수록 셀 전체에 걸쳐 더 큰 압력 강하가 발생하고 광학 출력이 매우 낮아질 수 있기 때문이다. 따라서 제조가능성 및 비용뿐만 아니라 위에서 언급한 요소를 고려한 절충적인 갭 크기가 사용된다. 일부 예에서, 코로나 방전 형성을 피하기 위하여, 전극 주변에 절연(캡슐화)이 제공된다.
광학 출력을 모니터링하기 위하여, 관심 광의 파장 범위(일반적으로 전자기 스펙트럼의 자외선 및 가시 영역)에 투명한 적어도 하나의 광학적으로 투과성인 요소가 셀에 존재해야 한다. 적어도 하나의 광학적으로 투과성인 요소는 창, 렌즈, 회절 격자, 광학 필터 또는 분광계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 광학 요소는 자외선 및 가시 광선에 광-안정적(photo-stable)이어야 하며 광자 흡수의 결과로 관심 파장 범위에서 비-발광성(not luminesce)이어야 한다. 광섬유는 광학 출력을 비가시선(non-line-of-sight) 목적지로 전송하는 데 유용할 수 있거나 및/또는 플라즈마 셀을 포함하는 고온 영역으로부터, 전자 장치가 작동 주변 온도 한계 내에서 작동할 수 있는, 더 차가운 영역으로 전송하는 데 유용할 수 있다. 추가적으로, 광섬유는 플라즈마 셀 및 높은 관련 전자기장으로부터 멀리 떨어진 거리에 검출기(들) 및/또는 신호 처리 전자 장치를 배치하는 것을 가능하게 한다.
가스 검출을 위해, 출력 광은 광 검출기(예를 들어, 실리콘 또는 InGaAs 광 다이오드) 또는 열 기반 검출기(예를 들어, 초전 검출기(pyroelectric detectors), 볼로미터(bolometers) 또는 써모파일(thermopiles))와 같은 하나 이상의 검출기(150)에 의해 검출될 수 있거나, 대안적으로 출력 광은, 방출 파장 범위에 걸쳐 스펙트럼 플롯을 생성하는, 분광계에 의해 수집될 수 있다. 가스 조성에 따른 방출 선의 강도 변화는 종화(speciation) 및 정량화(quantification)에 사용될 수 있다. 플라즈마 부산물은 전지(140)로부터의 배출구에 존재한다. 이들은 플라즈마 표면 에칭, 세정, 화학적 생산 또는 다른 목적에 유용할 수 있다. 부산물은 적절한 처리 또는 고려가 필요할 수 있는 위험한 기체 종도 포함할 수 있다. 배출 가스에 생성되고 존재하는 플라즈마 부산물의 양은 다른 요인들 중에서도 가스 조성, 압력, 유속, 셀 크기 및 전극 면적에 의존하게 된다.
플라스마 셀을 유지하거나 캡슐화하는데 사용되는 모든 재료는 자외선 및 가시광선에 광 안정적(photostable)이어야 하며, 광자 흡수의 결과로 관심 파장 범위 내에서 비-발광성이어야 한다. 추가로, 전자기 보호(shielding)는 전자기 간섭의 내부 또는 외부 소스로부터 플라즈마 셀 및/또는 관련 전자 장치를 보호하거나 포함하는데 유용할 수 있다. 장치가 대기압 이상에서 기능할 수 있는 것으로 유리하게 기술되었지만, 일부 상황에서는 필요한 개시 및 유지 전압 및/또는 작동 힘을 낮추기 위해 또는 유해한 부산물의 밀도를 낮추기 위해, 대기압 이하에서 작동하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 구현예에서, 플라즈마 셀은 정의된 고정 온도에서 유지될 수 있다. 이는 응결을 방지하고 플라즈마 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 셀에 들어가는 가스 샘플은 정의된 고정 온도에서 유지될 수 있다. 이는 셀에 들어가는 가스의 열적 안정성을 증가시켜, 주변 온도보다 높은 온도에서 유지시키고 가스 샘플에 열 에너지를 추가할 때, 출력을 안정화하고 또한 밀도 감소를 통해 플라즈마를 가격하고 유지하는데 필요한 전압을 낮추는 장점을 갖는다. 그러나, 이들 옵션 모두 가열을 위한 전력 증가를 포함한다. 최적의 안정성을 위해, 플라즈마 셀을 통과하는 유속은 흐름 제어기(flow controller)와 같은 적절한 흐름 제어 수단을 통해 정의된 고정 유속으로 유지되어야 한다.
구현예는 또한 플라즈마 진입 전에 가스 샘플에 하나 이상의 도펀트를 추가하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, US8239171에 기술된 바와 같이, 신호 처리 이유로 미량의 물이 추가될 수 있다.
유전체 장벽 방전(DBD)은 적어도 한 쌍의 두 전극이 유전체 물질과 접촉하는 방전의 한 형태이다. 이 유전체 층은 전류 제한기(current limiter)로서 작용한다. 특정 조건 하에서, DBD의 고유한 유형의 방전 모드가 존재하며, 방전이 확산 글로우(diffuse glow)로서 나타나 전체 전극 표면을 균일하게 덮는다. 전자 및 이전 방전으로부터 얻어진 준안정 종(metastable species)에 의한 가스 사전이온화(gas pre-ionisation) 및 플라즈마와 유전체 표면 간의 상호 작용은 이러한 글로우 모드의 형성에 중요한 역할을 한다. 전극의 모양, 크기 및 분리, 전극과 플라즈마 사이의 유전체 장벽의 특성 및 두께는 글로우 방전 모드에서 최적의 플라즈마 필드를 결정하는데 있어서 영향을 주게 된다. 원칙적으로 전극은 측정되는 가스와 직접 접촉할 수 있지만, 실제로 첫 번째 예는 유전체 장벽(예를 들어, 유리 또는 세라믹 또는 고온 및 높은 전자기장을 견딜 수 있는 모든 유전체)으로 보호되는 전극을 가지고 있다. 또한, 측정되는 가스에 따라, 공격적인 부식성 구성 요소(예를 들어, 자유 라디칼, 이온화된 분자 및/또는 화학적 부식성 가스/부산물)가 있을 수 있으며, 따라서 유전체 표면은 이러한 상황에서 부식에 저항성이어야 한다. 그러나 유전체 장벽의 사용은 고전압 DC 장(field)의 사용을 제외시킨다.
AC 장(field)의 사용은 파형, 주파수 및 진폭이 임의의 글로우 플라즈마의 안정성을 달성하는데 중요한 매개 변수임을 의미한다. 플라즈마가 가스 분석에 사용되는 경우, 측정량(들)이 존재할 때 플라즈마에 의해 생성되는 신호는 예를 들어 광학적 검출(예를 들어, 통과 대역 필터(파장 선택) 및 광학 (실리콘) 검출기를 사용하여)에 의해 결정될 수 있으며, 이는 자외선 및/또는 가시광선 스펙트럼에 있을 수 있다. 개별 통과 대역에서 방출된 광의 강도는 측정량 종화(speciation) 및 농도의 표지이다. 이 요구사항은 이러한 유형의 가스 검출을 위해 이러한 광학 범위에서 플라즈마 가스 셀 내에 하나 이상의 투명 창 또는 기타 광학 요소가 있어야 함을 의미한다.
대기압에서 DBD 플라즈마의 일반적인 전기적 특성은 다음과 같이 기술될 수 있다. 외부 AC 고전압을 전극에 적용하면, 가스 갭 양단의 전압이 항복 전압 이상으로 상승할 때, 방전이 개시된다. 갭에서 가스가 파괴되면 플라즈마가 형성되고 전극 전류가 빠르게 상승한다. 많은 종래의 DBD에서 플라즈마 전류의 제어되지 않은 상승은 이러한 단계(phase)에서 필라멘트 방전의 형성으로 이어질 수 있다. 이것은 필라멘트 채널 저항의 빠른 변화를 특징으로 하며, 이는 빠르게 증가하는 공간 전하가 자체-전파하는 스트리머(streamer)를 형성하기 때문이다. 플라즈마에서 생성된 하전 입자는 전극에 인접한 유전체 표면에 축적되어, 적용된 장(field)에 반대되는 전기장을 생성한다. 이것은 갭에 걸쳐 순 전기장의 감소를 야기하고, 따라서 전류는 빠르게 감소한다. 방전이 끝난 후 유전체 표면에 남아있는 전하는 다음 필드 사이클(cycle of the field)을 위해 준비된 잔류 전기장을 생성한다.
광학적 발광 분광법에서 각 반주기(half cycle) 동안 필라멘트 방전의 존재는 검출기에서 원하지 않는 잡음 신호로 이어진다. 필라멘트 방전은 또한 오랜 시간 동안 석영과 같은 유전체 장벽의 표면을 침식하여, 측정 드리프트(measurement drift)와 장벽의 궁극적인 실패로 이어진다. 따라서 낮은 노이즈와 낮은 드리프트를 달성하기 위해 DBD 플라즈마를 안정된 확산 글로우 모드에서 작동하는 것이 바람직하다.
플라즈마 전류 파형은 각 반주기 동안 필라멘트 방전의 존재를 검출하는 수단을 제공한다. 따라서, 플라즈마 전류를 제어함으로써 바람직하지 않은 필라멘트의 형성을 제어하거나 완화하는 것이 가능하다. 이러한 제어는 상당히 높은 대역폭으로 사이클 단위(cycle-by-cycle basis)로 이루어진다. 일 예에 따르면, DBD 플라즈마 작동의 또 다른 중요한 매개 변수는 RF 여기의 주파수이다. 여기 주파수가 너무 낮으면 유전체 표면의 전자와 하전된 종이 너무 빨리 축적되고 반대 전기장이 플라즈마 전압 상승을 과도하게 억제한다. 또한 경계면에서 종의 일부 재조합이 발생한다. 이러한 효과는 함께 플라즈마의 비-개시 또는 조기 소광(quenching)을 야기하게 된다. 반대로, 너무 높은 여기 주파수를 사용하면, 플라즈마 벌크에서 생성된 전자와 하전된 종은 전극간 갭(inter-electrode gap) 내에 갇히게 되고, 필요한 반대 전기장을 형성하기 위한 장벽 표면에 도달할 수 없다. 이것은 또한 불안정한 대기 DBD 플라즈마로 이어지게 된다. 해결책은 플라즈마가 안정된 글로우 작동 상태에 있는, 최적의 (상대적으로 좁은) 주파수 범위 내에 유지되도록 여기 주파수를 제어하는 것이다. 본원에서 이것은 피드백 시스템의 공진 주파수 대역이라 칭해진다.
공진 전류 피드백 제어 회로(Resonant current feedback control circuit)
아래에 설명되는 공진 피드백 제어 회로의 예는, 예를 들면, 교류 여기 전압의 각 사이클 동안 사이클 단위(cycle-by-cycle basis)로 전극에 인가되는 전압을 능동적으로 조정하여, 플라즈마 전류 및/또는 여기 주파수를 제어할 수 있다.
도 3은 플라즈마 전류 제어를 위한 피드백 회로의 기본 요소 구현의 예를 예시한다.
플라즈마 셀(500)은 플라즈마를 형성시킨다. 플라즈마 셀은 정의된 거리만큼 분리된 적어도 한 쌍의 전극(501)에 의해 구동된다. 전극(501)은 전형적으로 기계적 및/또는 접착 수단에 의해 유전체 장벽(도시되지 않음)에 연결된다. 전극(501) 사이에 제공된 거리는 플라즈마 셀(500)의 내부에 갭(502)을 형성하고, 여기서 갭(502)은 가스 입구 구멍(503) 및 가스 출구 구멍(504)과 조합되어 관심 가스가 플라즈마 셀(500)을 통과하여 흐를 수 있는 채널을 형성한다. 플라즈마는 플라즈마 셀(500)의 갭(502) 내에 형성된다.
전극(501)에 교류 여기 전압이 제공되고 전극(501) 사이의 전압 구배가 생성될 때, 플라즈마 셀(500)을 가로 지르는 신호를 측정하기 위해 감지 저항기(505)가 피드백 회로의 일부로서 제공된다. 감지 저항기(505)는 플라즈마 셀을 가로 질러 유도된 신호를 측정하도록 배열되고, 순간 플라즈마 전류 iT(t)는 감지 저항기(505)를 통해 흐르고, 미터로 측정되는 감지 전압 Vs를 생성한다. 감지 저항기(505)는 변압기(506)의 제2 권선 또는 코일(중앙 탭)을 따라 실질적으로 중간 지점에서 고전압 변압기(506)의 제2 권선 또는 코일에 연결되어, 감지 저항기(505)가 접지-참조되도록(ground-referenced) 한다. 평면 변압기가 예시되지만 변압기(506)는 이에 제한되지 않는다. 변압기(506)는 바람직하게는 낮은 권선 정전용량을 갖는 변압기이고 아래에서 더욱 상세히 논의된다.
증폭기(507)와 감지 저항기(505) 사이의 연결은 증폭기(507)가 제1 증폭기 입력을 통해 감지 저항기(505)로부터 감지 전압 Vs 신호를 수신하도록 제공된다. 제2 증폭기 입력은 증폭기(507)에 제공되어 증폭기(507)는 플라즈마 전류의 진폭 및 주파수를 설정하는데 사용될 수 있는 기준 파형(508)을 수신할 수 있다. 기준 파형은 예를 들어 함수 발생기에 의해 제공될 수 있다. 정현파 기준 파형이 예시되어 있지만, 사각파(square wave), 톱니파, 삼각형 또는 기타 적절한 파형 또는 파형 조합과 같은 다른 파형 프로파일이 사용될 수 있다.
증폭기(507)는 바람직하게는, 기준 파형(508)과 감지 저항기(505)에 의해 검출되는 실제 플라즈마 셀 파형 사이의 차이에 비례하는, 오류 신호(509)를 생성할 수 있는 고속 증폭기이다.
증폭기(507)는, 변압기(506)의 제1 권선 또는 코일을 구동하는데 사용되는 공진 LCR 네트워크(510)를 갖는, 전력 구동단 또는 제어 유닛에 오류 신호(509)를 제공한다.
오류 신호는 상보적인 고전력 NPN-PNP 트랜지스터 푸시-풀 구성의 베이스를 구동하며, 이는 차례로 고정 LCR 네트워크를 통해 변압기의 제1 측면(primary side)을 구동한다. 평면 변압기의 제2 권선과 제1 권선 사이의 긴밀한 자기 결합은이 RF 에너지를 사이클 단위로, 플라즈마 전극에 직접 결합된, 제2 측면(secondary side)으로 전달한다. 전체 시스템을 공진 상태로 작동하면 각 구동 사이클에서 에너지가 플라즈마 커패시턴스로 효율적으로 전달되도록 한다.
도 3의 배열은 공진 전류 피드백 제어 회로의 단지 일 구현예일 뿐이며, 다른 구현예도 사용될 수 있다. 논의되는 바와 같이, 평면 변압기가 필요한 것은 아니나, 아래에서 자세히 설명하는 추가의 이점을 제공할 수 있다. 플라즈마 전류 감지를 위한 고전압 절연 회로에 대한 필요성은 없으며, 절연 회로는 이러한 비교의 대역폭에 악영향을 미치고 필라멘트 형성의 시작을 감지하기에는 너무 느리기 때문이다. 사용되는 피드백 회로는 고속 피드백 구현예에 대응할 수 있는 회로이다.
본 피드백 제어 회로에 따르면, 플라즈마 전류는 공지의 기준 파형과 직접 비교할 수 있으며, 이는 플라즈마 전류의 진폭 및/또는 주파수를 제어하거나 설정하는데 사용될 수 있다.
전극(501)에 인가되는 교류 여기 전압은 기준 파형을 참조하여 사이클 단위로 조정되며, 즉, 플라즈마 셀로부터 측정된 감지 전압 Vs 및 여기 전압의 각 사이클 동안의 기준 파형 사이의 차이에 근거하여 조정이 발생한다. 사이클 단위로 전극(501)에 인가되는 전압의 능동적인 조정이 실현되고 글로우 플라즈마는 가스 조성 및/또는 주변 조건과 같은 광범위한 변화 조건에 걸쳐 안정화될 수 있다. 전극(501)에 인가되는 전압의 조정은 변화하는 조건을 보상할 수 있으므로, 교류 여기 전압의 각 사이클 동안, 즉 실시간으로, 플라즈마가 안정화될 수 있다.
예를 들어, 사이클 단위로 여기 전압의 여기 주파수를 측정하고 증가시켜 플라즈마의 비-개시 또는 조기 소광(premature quenching)을 회피할 수 있다. 대안 적으로, 여기 주파수는 전극 갭 내에 전자와 하전된 종의 구속(confinement)을 방지하기 위해 감소될 수 있으며, 이에 따라 유전체 장벽 표면에 도달하여 반대 전기장을 형성하도록 할 수 있다. 즉, 여기 주파수는 플라즈마가 안정한 글로우 작업에 있는 최적의 (상대적으로 좁은) 주파수 범위 내에서 유지되도록 제어될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 4에 예시된 바와 같이, 검출 시스템의 필요한 빠른 시간 응답을 달성하기 위해, 본질적으로 낮은 정전용량, 높은 션트 저항 실리콘 광 다이오드(즉, 낮은 활성 실리콘 영역)를 단독으로 또는 어레이로 사용하였으며, 광 대역 통과 필터를 통해 파장을 선택하고 추가적으로 광 다이오드를 역방향 바이어스로 작동하여 정전용량을 더욱 낮추었다. 신호를 고속 트랜스-임피던스 증폭기를 사용하여 얻었고, 이는 또한 고-이득(high gain) 증폭 없이는 가능하지 않은 DC 광학 신호의 능동적인 제거를 가능하게 하였다. 1f 신호의 능동적 억제는 노치 필터를 통해 달성되었다. 빠른 아날로그에서 디지털로의 변환은 고해상도 ADC에 의해 수행되었으며, 2f 신호의 최소 10 배에 의해 오버샘플링되었다. 복조 및 잠금 검출 후, 아날로그 회로의 추가적인 잡음(noise) 기여를 회피하기 위해 디지털 도메인에서 필터링을 수행하였다.
플라즈마 광 신호의 2f 구성 요소는 진폭과 위상으로 구성된다. 2f 진폭을 사용하는 것에 추가하여, 위상은 여기의 각 반사이클(each half cycle) 내에서 발생하는 충돌 에너지 전달과 관련된 중요한 플라즈마 특성을 나타낸다. 플라즈마 여기 피크에서, 이온 종의 가속은 최대가 되어 높은 수의 충돌 에너지 전달 이벤트로 이어진다. 플라즈마에 추가된 불순물의 농도가 변함에 따라 에너지 전달 충돌 이벤트도 변하여 플라즈마 벌크 정전용량의 작은 변화(shifts)로 이어지게 된다. 이러한 플라즈마 정전용량의 변화(shifts)는 불순물 농도가 변함에 따라 여기 1f 파형에 대한 2f 광 신호의 "위상" 변화("phase" shift)로 나타난다. 불순물 농도에 따른 이러한 2f 광 신호 위상 변화의 실험예가 실험 결과 섹션에 주어진다.
실험 결과
브렘스슈트랄룽(Bremsstrahlung) 배경 복사로 인해, 능동적으로 방출하는 종이 없는 경우에도 광학 2f 신호가 존재할 수 있다. 또한, 가스 혼합물에 따라, 2f 광학 신호는 여기된 가스 종에 의한 직접적인 광자 방출(예를 들어, 질소 중의 아르곤), 다른 종의 방출의 소광(quenching) 또는 감소(예를 들어, 산소 또는 수소에 의한 질소), 또는 다른 종의 존재에 의한 방출의 강화(예를 들어, 헬륨에 의한 질소) 또는 이들 과정 중 둘 이상의 조합 때문일 수 있다. 예를 들어, 헬륨에 의한 337nm에서 질소 방출의 향상은 헬륨이 더 낮은 이온화 에너지를 가지므로 질소 여기를 향상시켜 광학적 발광(페닝 이온화(Penning ionisation))을 향상시킬 수 있기 때문이다. 적절한 기술을 통해 유래된 2f 신호(예를 들어, 진폭 또는 적분 면적)와 가스 농도와의 관계는 가스 혼합물 및 농도 범위에 따라 선형 또는 비선형일 수 있다. 비선형 신호의 경우, 출력은 실험적 또는 이론적 맞춤(fit), 다항식, 다른 적절한 수학적 관계 또는 둘 이상의 이들의 조합으로부터 선형화될 수 있다.
2f 검출 방법의 성능을 새로운 신호 전자 장치 및 소프트웨어를 사용하여 검증하였다. 도 6은 337nm에서 질소 방출에 대한 수소의 영향을 나타낸다. 결과를 오실로스코프 트레이스에서 유래된 2f 피크 높이 대 가스 농도로 표시한다. 수소가 비선형 방식으로 질소 방출을 억제하고 있음을 알 수 있다.
이러한 2f 방법과 종래의 DC 유형 측정의 일치는 도 7에 명확하게 나타나 있으며, 여기서 참조 진폭은 (회절 격자 및 광 다이오드 어레이를 사용하여) 337 nm에서의 진폭 판독 값의 분광계로부터 유래되며, 어떤 방법을 사용하든 강도와 농도의 동일한 관계를 보여주며, 2f 방법은 신호 대 잡음비의 성능 향상을 제공한다.
도 8의 (a) 내지 (c)에 표시된 2f 진폭 및 잠금(Lock-in) 검출을 사용하는 2f 검출 방법을 설명하기 위한 실험을 또한 수행하였다. 이것은 질소의 배경에서 아르곤에 대하여 수행되었으며, 실리콘 검출기로 780nm를 중심으로 하는 광학 통과 대역 필터 후 광학 신호 모니터링을 사용하였다. 2f 신호의 비대칭은 전극 및/또는 검출기 위치 및 방향의 비대칭의 결과이다. 2f에서 광학 출력 최대 값은, 아르곤 농도에 따라 증가하는 진폭과 마찬가지로, 세 그래프 (a) 내지 (c) 모두에서 명확하게 보여진다. 도 9는 2f 잠금 검출 후 진폭과 아르곤 농도와의 관계를 나타내며, 이 농도 범위에서 약간 비선형인 것으로 볼 수 있다.
이전 섹션에서 설명한 바와 같이, 1f 전기 여기 및 2f 광학 신호 사이의 위상차는 불순물 농도와 연결될 수 있으며, 그 예를 도 10에 나타낸다. 도 10은 질소 농도가 증가함에 따라 위상 각이 감소하는 것을 예시한다.
2f 신호의 향상된 신호 처리 성능은 특정 광-기계 설계, 전자적 구동 또는 신호 처리 형식으로 제한되는 것은 아니며, 일반적으로 적용가능하다. 도 1a 및 1b, 도 3 및 도 4의 예에 추가하여, 다른 광-기계 및 전극 배열에 대한 구성도를 위하여 도 11a 및 11b에 두 가지 추가 예를 제공한다. 다른 적절한 전자적 구동 및 신호 처리 형식이 이들 예시 중 하나와 함께 상기에서 기술된 바에 따라 사용될 수 있다. 이들 예시는 단일 쌍의 전극과 단일 검출기로 표시되며, 이는 설계 및 제조의 단순성으로 편리할 수 있으나, 하나 이상의 전극 쌍 및/또는 하나 이상의 검출기를 사용하는 유사한 2f 구현예가 상정될 수 있으며, 예를 들어, 제2 전극 쌍이 제1 쌍에 직각이거나 및/또는 동시에 및/또는 연속적인 전자기 여기를 위해 종 방향 및/또는 동축 방향으로 직렬로 존재한다. 이러한 2차 전극은 또한 다중-종 검출을 위한 2차 광학 검출 시스템에 연결될 수도 있다.
도 11a에서, 셀을 가로 질러 전자기장을 생성하는데 사용되는 1f 플라즈마 여기 구동 회로(700)는 내부 축 전극(701) 및 외부 원통형 전극(702)에 전기적으로 연결된다. 내부 전극(701)은 밀접하게 결합된 보호 관형 외피(703)에 의해 공격적인 플라즈마 환경으로부터 보호되며, 이는 또한 내부 유전체 장벽으로도 작용한다. 이 예시에서, 외부 튜브(704) 및 내부 보호 튜브(703)는 이전 섹션에서 논의된 이유로 석영 또는 다른 적절한 유전체 재료로 제조될 수 있다. 샘플 가스는 외부(704) 및 내부(703) 튜브 사이의 내부 용적 내에 포함되어 있다. 전극(701 및 702)은 전기적, 기계적 및 화학적 이유로 유전체 상에 접합될 수 있다. 가스 입구(705) 및 가스 출구(706)는 가스의 통과가 셀 안팎에서 분석되도록 한다. 전극(702)의 창(707)은 2f에서 여기된 종으로부터의 광의 방출이, 광학 대역 통과 필터와 같은 파장 선택 요소(709)를 통과한 후, 실리콘 검출기(708)와 같은 적절한 검출기에 의해 검출되도록 한다. 형성된 플라즈마(710)의 위치, 크기 및 모양은 셀의 디자인 및 재료에 의해 결정되게 된다. 검출된 광학 신호는 도 4에 예시된 방법과 같이 적절하게 처리될 수 있다.
도 11b에서, 셀을 가로 질러 전자기장을 생성하기 위해 사용되는 1f 플라즈마 여기 구동 회로(800)는 원형 상부 전극(801) 및 원형 베이스 전극(802)에 전기적으로 연결된다. 두 전극은 플라스마 셀(803)의 유전체 장벽에 의해 공격적인 플라즈마 환경으로부터 차폐되며, 이들이 또한 접착 결합되어 있다. 이 예시에서, 셀(803)의 유전체 재료는 이전 섹션에서 논의된 이유로 석영 또는 다른 적절한 유전체 재료로 제조될 수 있다. 샘플 가스는 셀(803)의 내부 용적 내에 포함되어 있다. 가스 입구(804) 및 가스 출구(805)는 가스의 통과가 셀(803) 안팎에서 분석되도록 한다. 셀(803)의 창(806)은 2f에서 여기된 종으로부터의 광의 방출이, 광학 대역 통과 필터(808)와 같은 파장 선택 요소를 통과한 후, 실리콘 검출기(807)와 같은 적절한 검출기에 의해 검출되도록 한다. 형성된 플라즈마(809)의 위치, 크기 및 모양은 셀의 디자인 및 재료에 의해 결정되게 된다. 검출된 광학 신호는 도 4에 예시된 방법과 같이 적절하게 처리될 수 있다.
도 12의 그래프는, 도 4에 예시된 공진 전류 피드백 제어 회로 대신 종래의 자체-진동 구동 회로 및 도 1a에 나타낸 셀 대신 도 11b에 개략적으로 나타낸 광기계적 셀을 사용하여, 유사한 결과가 얻어짐을 보여준다. 자체-진동 구동은 이전의 공진 피드백 예보다 더 좁은 기능 범위를 갖지만, 그럼에도 불구하고 2f 신호 진폭과 질소 농도와의 관계가 명확하게 설명되어 있다.

Claims (46)

  1. 플라즈마 셀 내에서 하나 이상의 진동 전자기장을 발생하여 셀 내의 입자를 여기시켜 플라즈마 셀에서 글로우 방전 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 셀을 통하여 가스 혼합물을 흐르게 하면서 플라즈마 셀의 작동 조건을 제어하여 플라즈마로부터의 글로우 방전 광학적 발광을 원하는 작동 범위 내에서 유지시키는 단계; 및
    플라즈마 셀에서 플라즈마로부터의 하나 이상의 글로우 방전 광학적 발광을 모니터링하는 단계로서, 상기 광학적 발광의 모니터링은 플라즈마 여기 주파수의 2배에서 광학적 발광을 측정하거나 광학적 발광과 관련된 신호를 측정하는 것을 포함하는 단계; 및
    전자기 여기의 각 여기 사이클 동안 신호를 처리하여 플라즈마 셀을 통해 흐르는 가스 혼합물 내의 가스 농도를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링이 적어도 하나의 광학 검출기를 사용하여 광학적 발광을 실시간으로 측정하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    광학 신호가 적어도 하나의 광학 필터의 전송 대역을 통해 통과한 후 또는 적어도 하나의 분산 격자 또는 다른 적절한 파장 선택 장치를 사용하여 수집되는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호 처리가 디지털 신호 처리를 사용하여 실시간으로 완료되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    노치 필터를 사용하여 신호의 주파수 대역폭을 좁히고, 여기 주파수로부터 주파수 분리를 얻는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호를 처리하는 단계가, 고속 푸리에 변환(FFTs) 및 시간 또는 주파수 영역 정합 필터 기술 또는 형상 필터를 사용하는 것과 같은, 잠금 검출, 동기 검출, 주파수 영역 분석 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호의 측정이 광학 신호의 피크 높이, 피크 면적 또는 적분을 측정하거나 또는 2f 광학 신호와 1f 여기 사이의 위상차를 측정하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    사후 신호 필터링이 적용되고, 사후 신호 필터링은 중앙값 필터 및/또는 앙상블 평균화 및/또는 이동 평균화를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 파형이 정현파인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 파형이 사각파, 톱니파, 매끄러운 비-정현파 함수 또는 이러한 파형들의 조합인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    1f 여기 파형과 2f 광학 신호 사이의 2f 신호의 위상 각 및/또는 2f 이외의 주파수 신호 성분의 진폭, 폭, 면적 또는 다른 구성이 가스 농도 및/또는 배경 가스 조성의 결정을 향상시키기 위해 사용되는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    플라즈마 셀을 가로지르는 전기장이 교류 여기 전압에 의해 생성되고, 상기 제어가 여기 사이클 단위(excitation cycle-by-execution cycle basis)로 수행되는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    자기장이 전자석의 교류 여기 전류에 의해 생성되고, 상기 제어가 사이클 단위로 수행되는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제12항 및 제13항 중 어느 한 항 또는 제12항 및 제13항 모두의 전기장과 자기장의 조합을 사용하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 신호의 모니터링이 2f 신호의 진폭을 측정하는 것을 포함하고, 상기 모니터링이 가스 혼합물 내의 가스의 농도를 결정하기 위하여 사용되는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    가스 농도에 따른 2f 신호 진폭의 변화가 실험적 또는 이론적 맞춤(fit), 다항식, 다른 적절한 수학적 관계 또는 둘 이상의 이들의 조합으로부터 선형화되는 방법.
  17. 가스 혼합물을 플라즈마 셀을 통해 흐르게 하기 위한 입구 및 출구를 갖는 플라즈마 셀;
    플라즈마 셀 내에서 하나 이상의 진동 전자기장을 발생하여 셀 내의 입자를 여기시켜 플라즈마 셀에서 글로우 방전 플라즈마를 생성하기 위한 전자기장 발생기;
    플라즈마 셀을 통하여 가스 혼합물을 흐르게 하면서 플라즈마 셀의 작동 조건을 제어하여 플라즈마로부터의 글로우 방전 광학적 발광을 원하는 작동 범위 내에서 유지시키기 위한 제어기; 및
    플라즈마 셀에서 플라즈마로부터의 글로우 방전 광학적 발광을 모니터링하도록 구성된 하나 이상의 측정 회로에 결합된 하나 이상의 광학 검출기로서, 상기 광학적 발광의 모니터링이 플라즈마 여기 주파수의 2배에서 광학적 발광을 측정하거나 광학적 발광과 관련된 신호를 측정하는 것을 포함하는 광학 검출기
    를 포함하는 시스템으로서,
    상기 시스템이, 플라즈마 셀을 통해 흐르는 가스 혼합물 내의 가스 농도를 결정하기 위하여, 전자기 여기의 각 여기 사이클 동안, 측정된 광학적 발광 또는 측정된 신호를 처리하도록 구성된 신호 프로세서를 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    실리콘 광 다이오드와 같은 광 다이오드가 광학적 발광을 모니터링하는데 사용되고, 상기 광 다이오드가 본질적으로 낮은 정전용량 및 높은 션트 저항을 가지며, 자외선, 가시광선 또는 근적외선 광 범위에서 광학적 발광을 모니터링하는데 사용되는 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광 다이오드가 고유 정전용량을 감소시키도록 역방향 바이어스되는 시스템.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호 수집이 광학 필터의 전송 대역을 통과한 후 달성되거나 또는 분산 격자 또는 다른 적절한 파장 선택 장치를 사용하여 달성되는 시스템.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어된 글로우 플라즈마가 좁은 범위의 작동 조건에 걸쳐 유지될 수 있도록, 상기 글로우 플라즈마가 안정한 플라즈마를 유지하기 위해 자체-진동 방식으로 로여(Royer) 변압기를 사용하여 제어되는 시스템.
  22. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차 안정화 전극이 횡단 전기장을 인가하고 및/또는 전자 주입을 제공하기 위해 사용되는 시스템.
  23. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기장 발생기가 전압 발생기이고, 전압 발생기로부터의 입력 신호를 플라즈마 셀의 적어도 2개의 전극에 인가하여 전극 사이에 전압 구배를 생성하고, 미터를 사용하여 플라즈마 셀을 가로질러 유도된 신호를 측정하고, 비교기를 사용하여 유도된 신호를 기준 신호와 비교하여 차이 신호를 얻음으으로써, 플라즈마 셀에서 안정한 글로우 방전 플라즈마를 유지시키고;
    상기 제어기가, 공진 조건 하에서 안정한 글로우에 필요한 여기에 대한 원하는 전압 구배를 달성하도록, 얻어진 차이 신호에 기초하여 플라즈마 셀의 적어도 2개의 전극에 인가되는 제어 신호를 결정하는 시스템.
  24. 제23항에있어서,
    상기 유도된 신호가 플라즈마 전류이고, 상기 기준 신호가 구동 전류 파형 인 시스템.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    전기장이 교류 여기 전압에 의해 생성되고, 상기 제어가 각 여기 사이클에 대하여 사이클 단위로 수행되는 시스템.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 여기 전압이 결정된 공진 주파수 대역 내의 주파수를 갖도록 제어되는 시스템.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기장이 플라즈마 셀 내의 2개 이상의 전극 사이에서 생성되고, 작동 조건의 제어가, 전극 사이의 원하는 전류를 달성하도록, 전극 사이의 전압 구배를 제어하는 것을 포함하는 시스템.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어가 여기 파형, 주파수, 전류 및/또는 전압을 조정하는 것을 포함하는 시스템.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정이 플라즈마 전류에 비례하는 측정된 전압을 기준 전압과 비교하는 것을 포함하는 시스템.
  30. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀에 대한 복수의 상이한 작동 조건 각각을 제어하기 위해 플라즈마 셀에 대한 작동 조건 변경에 응답하는 시스템.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 작동 조건의 제어가 하나 이상의 전기 입력 파라미터에 대한 고주파 조정 및/또는 하나 이상의 물리적 구성 파라미터에 대한 저주파 조정을 포함하는 시스템.
  32. 제17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    분자가 플라즈마 셀에 들어가기 전에, 가스 분자의 온도, 압력, 여기 또는 이온화를 제어하는 것과 같이, 에너지를 가스 분자로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 시스템.
  33. 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 주파수가 정의된 주파수 범위에 걸쳐 규칙적 또는 가변적 기반으로 스캔되거나 처프(chirp)되고, 플라즈마 여기 주파수가 분석되는 종 혼합물과 관련된 피크 공진과 일치하도록 능동적으로 조정되거나 또는 위상 고정 루프 회로를 사용하여 자체-진동 플라즈마 시스템의 위상 또는 공진 주파수의 변화를 나타내는 시스템.
  34. 제17항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플 가스가, 플라즈마 셀로 들어가기 전에, 결정되고 제어된 온도에서 유지되는 시스템.
  35. 제17항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀이 결정되고 제어된 온도에서 유지되는 시스템.
  36. 제17항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀을 통한 가스의 유속이 결정되고 제어된 유속으로 유지되는 시스템.
  37. 제23항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    유속이, 플라즈마 전류를 결정된 값으로 유지하도록, 피드백 시스템으로 조정되는 시스템.
  38. 제17항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 도펀트가 플라즈마 셀로 진입하기 전에 샘플 가스에 첨가되는 시스템.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 도펀트가 물인 시스템.
  40. 제17항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀이 대기압 또는 대기압보다 더 높은 상태에 있거나 유지되는 시스템.
  41. 제17항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀의 압력이 플라즈마 전류를 결정된 값으로 유지하기 위해 피드백 시스템으로 조정되는 시스템.
  42. 제17항에 있어서,
    플라즈마 셀 내에서 자기장의 생성이 전자석을 사용하여 달성되는 시스템.
  43. 제17항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 셀이, 관심 광의 파장 범위에 투명한, 적어도 하나의 광학적으로 투과성인 요소를 갖는 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 광학적으로 투과성인 요소가 광안정성이고 비-발광성이며, 창, 렌즈, 회절 격자, 광학 필터 또는 분광계 중 하나 이상을 포함할 수 있는 시스템.
  45. 제17항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 출력을 비가시선 목적지로 전송하거나 및/또는 플라즈마 셀을 포함하는 고온 영역으로부터 전자 장치가 작동 주변 온도 한계 내에서 작동할 수 있는 더 차가운 영역으로 전송하거나, 및/또는 검출기 및/또는 신호 처리 전자 장치를 플라즈마 셀 및 높은 관련 전자기장으로부터 멀리 떨어진 곳에 배치하기 위하여, 광섬유가 사용되는 시스템.
  46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 전극 쌍을 갖고, 제2 전극 쌍은 제1 쌍에 직각이거나 및/또는 동시 및/또는 연속적인 전자기 여기를 위해 종 방향 및/또는 동축 방향으로 직렬인 시스템.
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